US-Regierung will nützlichen Quantencomputer bis 2028 - ist das realistisch?

Ein fehlerfreier Quantencomputer, der tatsächlich neue Materialien entwirft, Pharmazeutika beschleunigt oder Rätsel der Plasmaphysik löst - für viele klang das bis vor Kurzem noch nach ferner Zukunft. Jetzt aber verdichten sich die Anzeichen, dass dieser Meilenstein bereits in zwei Jahren erreicht sein könnte. Gleich zwei Initiativen peilen das Jahr 2028 an: die US-Regierung mit ihrer Quantum-Genesis-Initiative und das Unternehmen QuEra mit seinem Rechner Libra. Während die einen von einem Durchbruch wie dem Überschreiten der Schallmauer sprechen, warnen andere, dass noch enorme Hürden zu überwinden sind.

Die Wette auf 2028: Ein Quantencomputer für die Forschung

US-Präsident Donald Trump hat kürzlich zwei Executive Orders zur Förderung von Quantentechnologien unterzeichnet, und das Handelsministerium investiert zwei Milliarden Dollar in entsprechende Firmen. Parallel dazu startet das Energieministerium (Department of Energy, DoE) die Quantum-Genesis-Initiative, die bis 2028 ein nationales Quanten-Supercomputing-Zentrum errichten soll. Ziel ist ein Rechner, der groß und zuverlässig genug ist, um offene Probleme in Chemie, Materialwissenschaften, Plasmaphysik und Hochenergiephysik anzugehen. Darío Gil, Unterstaatssekretär für Wissenschaft im DoE, gibt sich optimistisch: „Ich bin sehr zuversichtlich, dass die Bausteine vorhanden sind … wir brauchen keinen massiven Durchbruch mehr.“ Gil verweist auf die jüngsten Fortschritte bei den einzelnen Qubits und bei Algorithmen, die Fehler erkennen und korrigieren. Zudem könnte Künstliche Intelligenz helfen, die Steuerung der komplexen Systeme zu optimieren.

Gleichzeitig hat das Unternehmen QuEra angekündigt, mit seinem fehlertoleranten Quantencomputer Libra ab 2028 über die Cloud - in Zusammenarbeit mit Amazon Web Services - verfügbar zu sein. Libra soll zwischen 10.000 und 15.000 Qubits enthalten, die in 256 logische Qubits gruppiert werden. Jedes logische Qubit soll nur einen Fehler pro eine Million Operationen aufweisen, sodass insgesamt eine Megaquop (eine Million Operationen) möglich wird. Yuval Boger, leitender Forscher bei QuEra, vergleicht die Situation mit dem ersten Überschallflug: „Den ersten fehlertoleranten Quantencomputer zu haben, wird so sein, als würde man die Schallmauer durchbrechen.“

Fehlerkorrektur: Das zentrale Hindernis

Quantencomputer kranken bislang an ihrer Fehleranfälligkeit. Einzelne Qubits - die Recheneinheiten - reagieren empfindlich auf äußere Störungen, und die Fehlerquote steigt mit der Zahl der Qubits überproportional. Für nützliche Berechnungen muss man viele physische Qubits zu einem logischen Qubit zusammenfassen, das durch ausgeklügelte Korrekturalgorithmen stabilisiert wird. Der Sprung von den derzeit größten Qubit-Arrays - 6100 neutrale Atome, die noch nicht für Berechnungen genutzt wurden - zu einem funktionierenden System mit tausenden Qubits und hunderten logischen Qubits ist gewaltig. Das DoE benötigt Rechner, die „hunderte oder tausende Male größer“ sind als existierende Geräte, räumt Gil ein. Er spricht von einer „Komplexitätszunahme vom Bauteil zum Chip zum System“ - und davon, dass die Lieferketten für exotische Komponenten noch fragil sind, wie Paul Stimers von der Quantum Industry Coalition anmerkt.

QuEra setzt auf neutrale Atome, die mit Lasern kontrolliert werden. Dieser Ansatz erlaubt einen einfacheren Übergang von physischen zu logischen Qubits, was ein entscheidender Vorteil sein könnte. Doch das Unternehmen muss viele technische Fortschritte integrieren: vom Austausch sich erwärmender Atome über das Management von Hochleistungslasern bis zur schnellen Elektronik für die Überwachung. „Die Balance hat sich von 90 Prozent Wissenschaft und 10 Prozent Ingenieurskunst hin zu mehr Ingenieurskunst verschoben“, sagt Boger. Dennoch bleiben Zweifel. Thomas Wong von der Creighton University meint: „Es ist plausibel, dass sie es bis 2028 schaffen, aber genauso plausibel, dass sie ein paar Jahre oder mehr danebenliegen.“

Das Rennen der Technologien: Neutrale Atome gegen supraleitende Schaltkreise

Die Quantencomputerlandschaft ist divers. Während QuEra und Atom Computing auf neutrale Atome setzen, verfolgen IBM und andere Großkonzerne supraleitende Schaltkreise. IBM peilt fehlertolerante Systeme ab 2029 an. Joe Fitzsimons von Horizon Quantum Computing hält den neutralen Atomansatz für vielversprechend, weil er eine einfachere Konvertierung zwischen Qubit-Typen ermöglicht. „QuEra hat bereits Durchbrüche in der Fehlerkorrektur erzielt und eine starke Erfolgsbilanz“, sagt er. Auch das DoE setzt auf Vielfalt: In der Quantum-Genesis-Initiative wird ein Wettbewerb ausgeschrieben, der verschiedene Hardware-Plattformen umfassen dürfte, von Ionenfallen bis zu photonischen Systemen. Juliette Peyronnet vom Unternehmen Alice & Bob bezeichnet 2028 als „ziemlich ehrgeizig, aber nicht unmöglich“.

Die größte offene Frage ist jedoch: Was wird ein Megaquop-Rechner konkret leisten? Boger hofft auf komplexe Simulationen in der Physik und Materialwissenschaft sowie auf die Entwicklung neuer Quantenalgorithmen für die nächste Gerätegeneration. „Es würde mich nicht überraschen, wenn die meisten Algorithmen, die letztlich nützlich werden, noch gar nicht entdeckt sind“, sagt er. Wong hingegen sieht Libra eher als Entdeckungsmaschine denn als Anwendungswunder: „QuEra will die Forschungsrichtung der Community mitgestalten, um herauszufinden, was man mit 256 logischen Qubits anfangen kann.“

Globaler Wettlauf und offene Fragen

Die USA sind nicht allein. Großbritannien will mit dem ProQure-Programm jenseits von 2030 großskalige Quantencomputer erwerben. China hat Quantencomputing neben Künstlicher Intelligenz ins Zentrum seiner nächsten Fünfjahresstrategie gestellt. Bemerkenswert ist, dass die USA mit 2028 den kürzesten Zeithorizont setzen. „Es ist aggressiv“, räumt Gil ein. Sollten die Pläne aufgehen, könnten Quantencomputer schon bald bei der Entwicklung neuer Medikamente oder effizienter Katalysatoren helfen. Ein Rest Unsicherheit bleibt jedoch: Die Lieferketten sind empfindlich, die Skalierung ist beispiellos, und selbst optimistische Experten mahnen zur Vorsicht.

Fest steht: Noch nie war die Dynamik in der Quantenforschung so groß. Die Mischung aus staatlicher Förderung, kommerziellen Ambitionen und neuartigen Architekturen könnte tatsächlich einen vorzeitigen Durchbruch erzwingen. Ob Libra 2028 wirklich die Schallmauer durchbricht, wird sich erst zeigen - doch die Wissenschaft rüstet sich bereits für eine neue Ära des Rechnens.

Quellen:

• After years of opposition, Mexico’s president is reconsidering fracking (Science - News)
• Extending cryo-electron microscopy beyond water (Phys.org)
• US government wants to have a useful quantum computer by 2028 (New Scientist)
• Forty years of high-temperature superconductivity (Nature - News)
• Nanoscale CoAl design delivers 6 GPa strength with 15% plastic strain at room temperature (Phys.org)
• Are useful and error-free quantum computers only two years away? (New Scientist)

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Kinetyra